專利名稱：直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于直拉單晶過程中一種基于嵌入式系統(tǒng)的在線控制單晶直徑的技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
鍺單晶是紅外領(lǐng)域和半導(dǎo)體工業(yè)的重要材料，目前直拉法(Czochralski，CZ法)是制造鍺單晶的重要方法。該方法通過設(shè)計合理的熱場，將多晶鍺料投入到坩鍋中，并保持一定的溫度和壓力環(huán)境。將籽晶浸入溶液，在合適的熱場環(huán)境中，溶液中的鍺原子會在籽晶與熔液的固液交接面沿籽晶原有的鍺原子排列結(jié)構(gòu)繼續(xù)排列，緩緩將籽晶提升，則可以在籽晶下部形成與籽晶結(jié)構(gòu)一致的單晶體。加熱器的溫度，籽晶的提拉速度，籽晶的旋轉(zhuǎn)速度以及坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度都對所生成的單晶體的直徑有一定的影響。在晶體生長初期為了消除機械加工、熱沖擊等原因?qū)ψ?晶造成的位錯，先生長直徑在Φ (2 5) mm的一段單晶(這段單晶稱為細頸)，該過程稱為引細頸；引細頸過程結(jié)束后，通過控制加熱器溫度、籽晶的提拉速度、籽晶的旋轉(zhuǎn)速度以及坩鍋的旋轉(zhuǎn)速度使單晶直徑平緩增長直到接近預(yù)設(shè)直徑，該過程稱為放肩和轉(zhuǎn)肩；隨后控制這些參數(shù)使晶體直徑基本保持在預(yù)設(shè)直徑附近直到達到預(yù)定的單晶長度，該過程稱為等徑(這個階段是晶體生長的主要階段)；達到預(yù)定長度后，控制這些參數(shù)使單晶的直徑均勻變小直到離開液面，稱之為收尾。作為最重要、最基礎(chǔ)的兩種半導(dǎo)體材料單晶硅和鍺單晶，其主要生長方法均是直拉法生長。但是由于硅的性質(zhì)和鍺的性質(zhì)差異，使得單晶硅和鍺單晶在生長工藝和直徑控制方面差異很大硅的熔點為1414°C，晶體生長時液面發(fā)白發(fā)亮，使用Ircon探頭能探測到固液交接面光圈的信號，可以使用自動控制單元對硅單晶等徑生長進行自動控制；但是，鍺的熔點為937°C，晶體生長液面發(fā)黃發(fā)紅，使用Ircon探頭無法探測到固液交接面的光圈信號，導(dǎo)致無法使用自動控制單元對鍺單晶等徑生長進行自動控制，限制了鍺單晶的大規(guī)模生產(chǎn)。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有直拉單晶直徑控制系統(tǒng)使用Ircon探頭無法探測到鍺固液交接面的光圈信號，導(dǎo)致無法使用自動控制單元對鍺等徑生長進行自動控制的不足，本發(fā)明提供一種直拉鍺單晶直徑控制系統(tǒng)，能夠檢測鍺單晶生長過程中直徑的變化，實現(xiàn)鍺單晶等徑生長過程的自動控制。本發(fā)明的直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中有攝像機，圖像處理裝置和自動控制單元，攝像機置于單晶爐觀察窗的位置，用于圖像觀察和同步采集鍺單晶等徑生長的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳給圖像處理裝置；圖像處理裝置用于對攝像機采集的圖像數(shù)據(jù)進行分析，識別固液交接面光圈的位置及光圈與三條預(yù)設(shè)直線的相交點位置，并根據(jù)這三個相交點位置的坐標擬合出固液交接面光圈的曲率半徑，傳輸給自動控制單元；自動控制單元根據(jù)圖像處理裝置實時傳遞來的曲率半徑數(shù)據(jù)，進行比較后，發(fā)出加熱器功率、晶體生長速度和坩堝轉(zhuǎn)速的自動控制信息，實現(xiàn)鍺單晶等徑生長。自動控制方法如下步驟一，采集圖像通過攝像機觀察鍺單晶等徑生長時的固液交接面光圈圖像，調(diào)整攝像機的位置，使其能清晰完整的采集到?jīng)]有被單晶擋住的固液交接面光圈圖像，且使其盡可能只包含固液交接面光圈，以減少觀察窗和液面雜質(zhì)等對后續(xù)圖像處理的干擾；步驟二，識別光圈位置圖像處理裝置對攝像機采集到的固液交接面光圈圖像的邊緣進行檢測，分析出固液交接面光圈的位置，根據(jù)從圖像處理裝置引出的信號，在電腦中預(yù)設(shè)三條直線，使這三條預(yù)設(shè)直線滿足與固液交接面光圈相交于三點，將三點的位置信息保存到圖像處理裝置中，圖像處理裝置記錄這三點的坐標；步驟三,計算光圈曲率半徑根據(jù)正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC,圖像處理裝置計算出固液交接面光圈與預(yù)設(shè)的三條直線相交的三點所確定的圓的半徑作為曲率半徑; 步驟四，記錄所需的光圈曲率半徑當(dāng)鍺單晶生長達到所需直徑時，圖像處理裝置將所需直徑的曲率半徑信息傳輸給自動控制單元進行存儲；步驟五，控制鍺單晶等徑生長系統(tǒng)切換到自動控制模式，圖像處理裝置將實時的曲率半徑信息傳遞給自動控制單元，自動控制單元將實時的曲率半徑信息與預(yù)先存儲的所需曲率半徑信息進行比較I.當(dāng)生長的單晶直徑變小時，實時的曲率半徑數(shù)值小于所需曲率半徑數(shù)值，自動控制單元發(fā)出控制信息，降低加熱器功率和晶體生長速率，提高坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變小，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；2.當(dāng)生長的單晶直徑變大時，實時的曲率半徑數(shù)值大于所需曲率半徑數(shù)值，自動控制單元發(fā)出控制信息，升高加熱器功率和晶體生長速率，降低坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變大，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；3.當(dāng)生長的單晶直徑不變時，實時的曲率半徑數(shù)值等于所需曲率半徑數(shù)值，自動控制單元對加熱器功率、晶體生長速率及坩堝轉(zhuǎn)速的控制維持不變。本發(fā)明的有益效果是攝像頭采集鍺單晶等徑生長圖像，圖像處理卡只對采集圖像的光圈部分進行分析，減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低系統(tǒng)對硬件的性能要求；無需橢圓到圓的復(fù)雜映射，只需采集指定點的曲率半徑即可根據(jù)曲率半徑的變化規(guī)律進行等徑控制；攝像頭可將采集的鍺單晶生長圖像集中傳輸?shù)揭黄疬M行圖像處理和分析，便于生產(chǎn)人員實時監(jiān)控多臺設(shè)備，降低鍺單晶生長的勞動強度；能夠最大限度利用現(xiàn)有的設(shè)備裝置，避免電氣控制系統(tǒng)的重復(fù)設(shè)計與投資。


圖I是單晶娃等徑生長及檢測不意圖；圖2是Ircon探頭工作原理示意圖；圖3是本發(fā)明的直拉鍺單晶直徑控制系統(tǒng)示意圖；圖4是鍺單晶等徑生長時的固液界面圖像；圖5是CXD攝像機探測鍺單晶等徑生長及檢測示意圖6是固液交接面光圈曲率半徑計算示意圖。圖中，I.籽晶，2.單晶，3.固液交接面光圈位置，4. C⑶攝像機，5.圖像處理裝置，
6.自動控制單元,7.電控柜,8.加熱器,9.保溫罩，10.爐膛，11. Ircon探頭，12. Ircon探頭探測的固液交接面光圈，13. Ircon探頭探測的檢測圈，14.正常時的檢測示意圖，15.直徑變大時的檢測示意圖，16.直徑變小時的檢測示意圖，17.固液交接面光圈，18.預(yù)設(shè)直線。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖，通過實施例對本發(fā)明做進一步詳細說明。本發(fā)明所述的直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)(如圖3所示)，系統(tǒng)中有CCD攝像機 4，圖像處理裝置5和自動控制單元6，CXD攝像機置于單晶爐觀察窗的位置，找到固液交接面光圈位置3 (如圖4所示)，同步采集鍺單晶等徑生長的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳給圖像處理裝置5 ;圖像處理裝置識別CXD攝像機探測的固液交接面光圈17的圖像數(shù)據(jù)，通過電腦將該光圈與三條預(yù)設(shè)線18相交(如圖5所示)，將三個交點A、B、C的位置信息保存到圖像處理裝置中，圖像處理裝置記錄這三點的坐標并擬合出光圈的曲率半徑R (如圖6所示)傳輸給自動控制單兀；自動控制單元根據(jù)圖像處理裝置實時傳遞來的曲率半徑R，進行比較后，發(fā)出加熱器功率、晶體生長速度和坩堝轉(zhuǎn)速的自動控制信息，實現(xiàn)鍺單晶的等徑生長。具體步驟如下步驟一，采集圖像通過CXD攝像機4觀察鍺單晶等徑生長時的固液交接面圖像，調(diào)整CCD攝像機的位置，使其能清晰完整的觀察到?jīng)]有被單晶擋住的固液交接面光圈，且光圈圖像占顯示區(qū)域的1/2至2/3 ；步驟二，識別光圈位置圖像處理裝置5對CXD攝像機采集的圖像中的固液交接面光圈邊緣進行檢測，分析出固液交接面光圈17的位置，根據(jù)從圖像處理裝置引出的視頻信號，在電腦中預(yù)設(shè)三條直線，使這三條預(yù)設(shè)直線18滿足與固液交接面光圈17相交于A(xl，yl)，B (x2，y2)，C (x3，y3)三點(如圖5所示)，圖像處理裝置記錄這三點的坐標；步驟三,計算光圈曲率半徑根據(jù)正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC,圖像處理裝置5計算出固液交接面光圈17與三條預(yù)設(shè)直線18相交的三點所確定的圓的半徑作為曲率半徑R，其中，a表示A、B、C三點所組成三角形中A點的對邊，A還表示三角形中以A為頂點的三角形內(nèi)角；b表示A、B、C三點所組成三角形中B點的對邊，B還表示三角形中以B為頂點的三角形內(nèi)角；c表示A、B、C三點所組成三角形中C點的對邊，C還表示三角形中以C為頂點的三角形內(nèi)角(如圖6所示)；步驟四，記錄所需的光圈曲率半徑當(dāng)鍺單晶生長達到所需直徑時，圖像處理裝置5將所需直徑的曲率半徑信息R0傳輸給自動控制單元6進行存儲；步驟五，控制鍺單晶等徑生長系統(tǒng)切換到自動控制模式，圖像處理裝置5將實時的曲率半徑信息R傳遞給自動控制單元6，自動控制單元將實時的曲率半徑信息R與預(yù)先存儲的所需曲率半徑信息R0進行比較I.當(dāng)生長的單晶直徑變小時，實時的曲率半徑數(shù)值R小于所需曲率半徑數(shù)值Rtl,自動控制單元6發(fā)出控制信息，降低加熱器功率和晶體生長速率，提高坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變小，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；2.當(dāng)生長的單晶直徑變大時，實時的曲率半徑數(shù)值R大于所需曲率半徑數(shù)值Rtl, 自動控制單元6發(fā)出控制信息，升高加熱器功率和晶體生長速率，降低坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變大，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑；3.當(dāng)生長的單晶直徑不變時，實時的曲率半徑數(shù)值R等于所需曲率半徑數(shù)值Rtl,自動控制單元6對加熱器功率、晶體生長速率及坩堝轉(zhuǎn)速的控制維持不變。
權(quán)利要求
1.直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中有攝像機⑷，圖像處理裝置(5)和自動控制單元(6)，攝像機⑷置于單晶爐觀察窗的位置，用于圖像觀察和同步采集鍺單晶等徑生長的圖像數(shù)據(jù)，并將圖像數(shù)據(jù)傳給圖像處理裝置(5);圖像處理裝置(5)用于對攝像機采集的圖像數(shù)據(jù)進行分析，識別固液交接面光圈(17)的位置及光圈與三條預(yù)設(shè)直線(18)的相交點位置，并根據(jù)這三個相交點位置的坐標擬合出固液交接面光圈(17)的曲率半徑，傳輸給自動控制單元(6);自動控制單元(6)根據(jù)圖像處理裝置(5)實時傳遞來的曲率半徑數(shù)據(jù)，進行比較后，發(fā)出加熱器功率、晶體生長速度和坩堝轉(zhuǎn)速的自動控制信息，實現(xiàn)鍺單晶等徑生長。
2.按照權(quán)利要求I所述的直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于自動控制方法如下 步驟一，采集圖像通過攝像機⑷觀察鍺單晶等徑生長時的固液交接面光圈(17)的圖像，調(diào)整攝像機的位置，使其能清晰完整的采集到?jīng)]有被單晶擋住的固液交接面光圈圖像，且使其盡可能只包含固液交接面光圈(17); 步驟二，識別光圈位置圖像處理裝置(5)對攝像機⑷采集到的固液交接面光圈圖像的邊緣進行檢測，分析出固液交接面光圈(17)的位置，根據(jù)從圖像處理裝置(5)引出的信號，在電腦中預(yù)設(shè)三條直線，使這三條預(yù)設(shè)直線(18)滿足與固液交接面光圈(17)相交于三點，將三點的位置信息保存到圖像處理裝置(5)中，圖像處理裝置記錄這三點的坐標； 步驟三,計算光圈曲率半徑根據(jù)正弦公式2R=a/sinA=b/sinB=c/sinC,圖像處理裝置(5)計算出固液交接面光圈(17)與預(yù)設(shè)的三條直線相交的三點所確定的圓的半徑作為曲率半徑; 步驟四，記錄所需的光圈曲率半徑當(dāng)鍺單晶生長達到所需直徑時，圖像處理裝置(5)將所需直徑的曲率半徑信息傳輸給自動控制單元進行存儲； 步驟五，控制鍺單晶等徑生長系統(tǒng)切換到自動控制模式，圖像處理裝置(5)將實時的曲率半徑信息傳遞給自動控制單元(6)，自動控制單元(6)將實時的曲率半徑信息與預(yù)先存儲的所需曲率半徑信息進行比較 ①當(dāng)生長的單晶直徑變小時，實時的曲率半徑數(shù)值小于所需曲率半徑數(shù)值，自動控制單元(6)發(fā)出控制信息，降低加熱器功率和晶體生長速率，提高坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變小，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑； ②當(dāng)生長的單晶直徑變大時，實時的曲率半徑數(shù)值大于所需曲率半徑數(shù)值，自動控制單元(6)發(fā)出控制信息，升高加熱器功率和晶體生長速率，降低坩堝轉(zhuǎn)速，阻止單晶直徑變大，并使單晶直徑恢復(fù)到所需直徑； ③當(dāng)生長的單晶直徑不變時，實時的曲率半徑數(shù)值等于所需曲率半徑數(shù)值，自動控制單元(6)對加熱器功率、晶體生長速率及坩堝轉(zhuǎn)速的控制維持不變。
全文摘要
直拉鍺單晶直徑測量控制系統(tǒng)，其特征在于系統(tǒng)中有攝像機，圖像處理裝置和自動控制單元，攝像機采集鍺單晶等徑生長的圖像，圖像處理裝置識別固液交接面光圈位置和計算固液交接面光圈的曲率半徑，使自動控制單元實現(xiàn)鍺單晶的等徑生長。本發(fā)明的有益效果是圖像處理卡只對采集圖像的光圈部分進行分析，減少數(shù)據(jù)傳輸量，降低系統(tǒng)對硬件的性能要求；無需橢圓到圓的復(fù)雜映射，只需采集指定點的曲率半徑即可根據(jù)曲率半徑的變化規(guī)律進行等徑控制；攝像頭可將采集的鍺單晶生長圖像集中傳輸?shù)揭黄疬M行圖像處理和分析，便于生產(chǎn)人員實時監(jiān)控多臺設(shè)備，降低鍺單晶生長的勞動強度；能夠最大限度利用現(xiàn)有的設(shè)備裝置，避免電氣控制系統(tǒng)的重復(fù)設(shè)計與投資。
文檔編號C30B15/26GK102912429SQ20121040725
公開日2013年2月6日 申請日期2012年10月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年10月23日
發(fā)明者趙逸群, 張二平, 賈鈺超, 程海娟, 李洪兵, 姜杰, 陳驥, 劉建紅, 莫文聰, 許紅 申請人:云南北方馳宏光電有限公司